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随着高强钢、控轧钢及细晶粒钢等优质钢广泛应用于压力容器、锅炉、重型机械、海洋结构和造船、以及压力管道等行业,所面临的主要问题是焊接热影响区易出现软化,而采用超窄间隙焊接技术可以有效解决细晶粒钢焊接时热影响区软化问题,获得优异的焊缝组织和力学性能。而要实现超窄间隙TIG焊,所需解决的关键问题是在过窄间隙内,电弧无法通过自调节作用维持自身稳定而沿侧壁攀升,导致侧壁熔合不良,以及保护气经焊枪喷入狭小间隙,易产生紊流,将空气卷入,使熔池和钨极被氧化的难题。对此,在采用焊剂带约束电弧的方法来有效阻止侧壁引弧问题的基础上,通过对超窄间隙TIG焊环境下保护气体流态及流场分布特性的研究,建立了超窄间隙TIG焊枪喷嘴的理论模型,通过数值模拟和实际试验评定方法,快速有效地实现了超窄间隙TIG焊气保护装置喷嘴的研制。主要开展了以下几方面的工作:(1)建立了STN和HTN型焊枪喷嘴的两种理论模型。针对超窄间隙TIG焊工艺要求,以及所提出的陶瓷管喷嘴方案和扁平嘴喷嘴方案的理论分析和试验结果分析,探索研究了气体流动特性对保护效果的影响,并根据流体力学和气体动力学原理,提出了非嵌入式焊枪喷嘴设计方案的理论模型。(2)建立了STN和HTN型焊枪喷嘴模型的有限元模型。通过对理论模型的实体建模、网格划分,建立其有限元模型,并对有限元模型下气体流态和流场分布进行了仿真。探究了间距和流量对间隙内气体流场分布特性的影响,对两种理论模型的保护效果做出定性判定。(3)按照有限元模型加工了喷嘴实体,通过实际试验对模拟计算结果进行了评定。采用自行研制的铜丝网气保护评测装置,测定了两种喷嘴在不同间距和气体流量下保护区域大小,并与模拟计算结果进行了对比分析。结果表明,所研制的STN型喷嘴可满足超窄间隙TIG焊气保护工艺需求。基于数值模拟的优化设计方法,不但可降低其开发成本,而且可明显缩短其研发周期。